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1、(10)申请公布号 CN 103506892 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103506892 A (21)申请号 201310520830.2 (22)申请日 2013.10.29 B23Q 17/09(2006.01) (71)申请人 东华大学 地址 201620 上海市松江区松江新城人民北 路 2999 号 (72)发明人 王庆霞 李蓓智 杨建国 陆骏 麦允杰 徐天天 (74)专利代理机构 上海泰能知识产权代理事务 所 31233 代理人 宋缨 孙健 (54) 发明名称 一种旋转式切削力动态监测装置 (57) 摘要 本发明涉及一种旋转式切削力动态监测装 置， 包括主。
2、轴接口、 力感应模块、 刀具接口、 无线 供电模块和无线通讯模块， 主轴接口底端的平面 和内孔分别与力感应模块上盖的上平面和凸台贴 合， 并通过螺栓将主轴接口紧固于力感应模块上， 力感应模块内部的三向压电式传感器信号输出线 通过底座上的穿线孔引出， 与无线通讯模块的信 号发射端相连， 力感应模块的底端通过螺栓连接 刀具接口。本发明的主轴接口装在数控铣床的主 轴前端， 并随着主轴一起做旋转运动， 从而可实现 对机械加工过程中的切削三向力进行实时监测， 为开展微细零件切削机理研究和工艺参数优化提 供硬件支持。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人。
3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103506892 A CN 103506892 A 1/1 页 2 1. 一种旋转式切削力动态监测装置， 包括主轴接口 （11） 、 力感应模块、 刀具接口、 无线 供电模块和无线通讯模块， 其特征是 ： 所述主轴接口 （11） 底端的平面 （a） 和内孔 （b） 分别与 力感应模块上盖 （21） 的上平面 （a ） 和凸台 （b ） 贴合， 并通过螺栓将主轴接口 （11） 紧固于 力感应模块上， 所述力感应模块内部的三向压电式传感器 （23） 信号输出线通过底座 （24） 上的穿线。
4、孔引出， 与无线通讯模块的信号发射端 （52） 相连， 所述力感应模块的底端通过螺 栓连接刀具接口， 所述无线供电模块的初级线圈 （45） 通过初级线圈支架 （44） 装在机床主 轴前端的静止端盖上， 次级线圈 （42） 通过绕线环 （41） 装在力感应模块的外圆周面上， 并为 无线通讯模块提供电源。 2. 根据权利要求 1 中所述的旋转式切削力动态监测装置， 其特征是 ： 所述主轴接口 （11） 的上部设置有与机床主轴内孔相适配的锥度， 通过键槽和拉钉将整套监测装置在机床 主轴内进行快速定位与夹紧。 3. 根据权利要求 1 所述的旋转式切削力动态监测装置， 其特征是 ： 所述力感应模块包 括。
5、上盖 （21） 、 密封圈 （22） 、 三向压电式传感器 （23） 、 底座 （24） 和空心螺钉 （25） ， 所述上盖 （21） 的底端带有圆环形凸台， 底座 （24） 的顶端带有圆环形凹槽， 凸台与凹槽相配嵌合， 并 在凸台与凹槽之间形成环形空腔， 环形空腔内沿圆周均布有若干三向压电式传感器 （23） ， 所述底座 （24） 顶端的环形槽内设置有密封圈 （22） ， 所述底座 （24） 底端沿圆环形凹槽的圆 周均布有若干螺纹孔， 通过螺栓将上盖 （21） 和底座 （24） 固定连接， 并对三向压电式传感器 （23） 进行预紧。 4. 根据权利要求 3 所述的旋转式切削力动态监测装置， 。
6、其特征是 ： 所述三向压电式传 感器 （23） 的数量为 4 个。 5. 根据权利要求 1 所述的旋转式切削力动态监测装置， 其特征是 ： 所述无线通讯模块 包括接线盒 （51） 、 信号发射端 （52） 和设置于外围的信号接收端 （53） ， 所述接线盒 （51） 为 两个上下拼接、 带有空腔的环形壳体， 通过螺栓固定在力感应模块的上盖 （21） 和底座 （24） 上， 所述空腔上下两端的内壁上装有信号发射端 （52） 的电路板及电子元器件， 所述信号发 射端 （52） 包括电荷放大电路、 压频转换器、 调质与功放电路和信号发射器， 所述信号接收端 （53） 包括信号接收器、 解调电路和压频。
7、转换器， 并与计算机串口进行连接。 6. 根据权利要求 1 所述的旋转式切削力动态监测装置， 其特征是 ： 所述无线供电模块 包括绕线环 （41） 、 次级线圈 （42） 、 固定架 （43） 、 初级线圈支架 （44） 和初级线圈 （45） ； 所述次 级线圈 （42） 缠绕在绕线环 （41） 上， 绕线环 （41） 通过固定架 （43） 紧固于接线盒 （51） 内， 所 述初级线圈 （45） 位于初级线圈支架 （44） 的一端， 初级线圈支架 （44） 另一端通过螺栓固定 在机床主轴前端的静止端盖上。 7. 根据权利要求 1 中所述的旋转式切削力动态监测装置， 其特征是 ： 所述刀具接口包。
8、 括刀座 （31） 、 弹簧夹头 （32） 和锁紧螺母 （33） ， 所述刀座 （31） 的顶部通过螺栓连接底座 （24） 的底端， 所述刀座 （31） 底部的外圆周面上设置有外螺纹， 所述锁紧螺母 （33） 的内圆周面上 设置有内螺纹， 所述锁紧螺母 （33） 通过弹簧夹头 （32） 预紧刀具 （34） ， 所述刀座 （31） 通过旋 动螺纹将带有刀具 （34） 的锁紧螺母 （33） 固定连接。 权 利 要 求 书 CN 103506892 A 2 1/3 页 3 一种旋转式切削力动态监测装置 技术领域 0001 本发明属于机械加工与测试领域， 特别是涉及一种精密加工过程中三向切削力的 实时。
9、动态监测装置。 背景技术 0002 在精密零件的机械加工过程中， 切削力的精确测量不仅有利于研究切削机理、 优 化工艺参数和选择刀具几何参数， 更重要的是通过切削力的变化， 可以监控切削过程中刀 具磨损状态以及机床工作状态等， 以实现零件加工过程的监控， 为保证零件的加工质量， 提 高机床效率有着重要的意义。 0003 目前， 在国外， 瑞士 kislter 公司研制有压电式三向力传感器， 并可直接安装在主 轴的前端， 进行切削力的实时监测。但对国内用户来说， 不仅购置成本高， 而且使用和维护 成本也高。 在国内， 用来测量切削力的传感器多数是工作台式的结构， 即工件通过夹具或直 接用螺钉固定。
10、在台式传感器的上面， 然后作为一个整体安放在机床的工作台面上。这类传 感器虽然安装方便， 但受到工作台面限制， 不适合大尺寸工件安装， 并且属于间接式测力， 测力精度不高， 很难快速、 真实的反映出机械加工过程中切削力的动态变化。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转式切削力动态监测装置， 不仅具有结 构紧凑、 安装便捷、 实用可靠的特点， 更是能直接嵌入到旋转主轴中， 在加工过程中直接实 时对切削三向力进行监测， 为开展微细零件切削机理研究和工艺参数优化提供硬件支持。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 提供一种旋转式切削力动态监测装 置， 包括主轴接。
11、口、 力感应模块、 刀具接口、 无线供电模块和无线通讯模块， 所述主轴接口底 端的平面和内孔分别与力感应模块上盖的上平面和凸台贴合， 并通过螺栓将主轴接口紧固 于力感应模块上， 所述力感应模块内部的三向压电式传感器信号输出线通过底座上的穿线 孔引出， 与无线通讯模块的信号发射端相连， 所述力感应模块的底端通过螺栓连接刀具接 口， 所述无线供电模块的初级线圈通过初级线圈支架装在机床主轴前端的静止端盖上， 次 级线圈通过绕线环装在力感应模块的外圆周面上， 并为无线通讯模块提供电源。 0006 所述主轴接口的上部设置有与机床主轴内孔相适配的锥度， 通过键槽和拉钉将整 套装置在机床主轴内进行快速定位与。
12、夹紧。 0007 所述力感应模块包括上盖、 密封圈、 三向压电式传感器、 底座和空心螺钉， 所述上 盖的底端带有圆环形凸台， 底座的顶端带有圆环形凹槽， 凸台与凹槽相配嵌合， 并在凸台与 凹槽之间形成环形空腔， 环形空腔内沿圆周均布有若干三向压电式传感器， 所述底座顶端 的环形槽内设置有密封圈， 所述底座底端沿圆环形凹槽的圆周均布有若干螺纹孔， 通过螺 栓将上盖和底座固定连接， 并对三向压电式传感器进行预紧。 0008 所述三向压电式传感器的数量为 4 个。 0009 所述无线通讯模块包括接线盒、 信号发射端和设置于外围的信号接收端， 所述接 说 明 书 CN 103506892 A 3 2/。
13、3 页 4 线盒为两个上下拼接、 带有空腔的环形壳体， 通过螺栓固定在力感应模块的上盖和底座上， 所述空腔上下两端的内壁上装有信号发射端的电路板及电子元器件， 所述信号发射端包括 电荷放大电路、 压频转换器、 调质与功放电路和信号发射器， 所述信号接收端包括信号接收 器、 解调电路和压频转换器， 并与计算机串口进行连接。 0010 所述无线供电模块包括绕线环、 次级线圈、 固定架、 初级线圈支架和初级线圈 ； 所 述次级线圈缠绕在绕线环上， 绕线环通过固定架紧固于接线盒内， 所述初级线圈位于初级 线圈支架的一端， 初级线圈支架另一端通过螺栓固定在机床主轴前端的静止端盖上。 0011 所述刀具接。
14、口包括刀座、 弹簧夹头和锁紧螺母， 所述刀座的顶部通过螺栓连接底 座的底端， 所述刀座底部的外圆周面上设置有外螺纹， 所述锁紧螺母的内圆周面上设置有 内螺纹， 所述锁紧螺母通过弹簧夹头预紧刀具， 所述刀座通过旋动螺纹将带有刀具的锁紧 螺母固定连接。 0012 有益效果 0013 本发明具有以下的优点和积极效果 ： 0014 1、 本发明设计了能够快速安装在机床主轴内的切削力动态监测装置， 实现了精密 加工过程中三向力的实时监测， 具有响应速度快、 灵敏度高、 测量精度高等显著优点， 为开 展微细零件切削机理研究和工艺参数优化提供了重大技术支撑。 0015 2、 本发明实现了无线供电和通讯方式，。
15、 很好的解决了加工过程中监测装置随着主 轴旋转难以进行有线通讯的问题。 附图说明 0016 图 1 为本发明的总体构成 ； 0017 图 2 为本发明的结构示意图 ； 0018 图 3 为本发明在机床上的安装示意图。 具体实施方式 0019 下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。 此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后， 本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改， 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。 0020 如图 1-3 所示， 一种旋转式切削力动态监测装置， 包括主轴接口 11、 力感应模块、。
16、 刀具接口、 无线供电模块和无线通讯模块， 所述主轴接口 11 底端的平面 a 和内孔 b 分别与 力感应模块上盖 21 的上平面 a 和凸台 b 贴合， 并通过螺栓将主轴接口 11 紧固于力感应 模块上， 所述力感应模块内部的三向压电式传感器 23 信号输出线通过底座 24 上的穿线孔 引出， 与无线通讯模块的信号发射端 52 相连， 所述力感应模块的底端通过螺栓连接刀具接 口， 所述无线供电模块的初级线圈 45 通过初级线圈支架 44 装在机床主轴前端的静止端盖 上， 次级线圈 42 通过绕线环 41 装在力感应模块的外圆周面上， 并为无线通讯模块提供电 源。 0021 所述主轴接口 11。
17、 的上部设置有与机床主轴内孔相适配的锥度， 通过键槽和拉钉 将整套监测装置在机床主轴内进行快速定位与夹紧。 说 明 书 CN 103506892 A 4 3/3 页 5 0022 所述力感应模块包括上盖 21、 密封圈 22、 三向压电式传感器 23、 底座 24 和空心螺 钉 25， 所述上盖 21 的底端带有圆环形凸台， 底座 （24） 的顶端带有圆环形凹槽， 凸台与凹槽 相配嵌合， 并在凸台与凹槽之间形成环形空腔， 环形空腔内沿圆周均布有若干三向压电式 传感器 23， 所述底座 24 顶端的环形槽内设置有密封圈 22， 所述底座 24 底端沿圆环形凹槽 的圆周均布有若干螺纹孔， 通过螺栓。
18、将上盖21和底座24固定连接， 并对三向压电式传感器 23 进行预紧。 0023 所述三向压电式传感器 23 的数量为 4 个。 0024 所述无线通讯模块包括接线盒51、 信号发射端52和设置于外围的信号接收端53， 所述接线盒 51 为两个上下拼接、 带有空腔的环形壳体， 通过螺栓固定在力感应模块的上盖 21和底座24上， 所述空腔上下两端的内壁上装有信号发射端52的电路板及电子元器件， 所 述信号发射端 52 包括电荷放大电路、 压频转换器、 调质与功放电路和信号发射器， 所述信 号接收端 53 包括信号接收器、 解调电路和压频转换器， 并与计算机串口进行连接。 0025 所述无线供电模。
19、块包括绕线环 41、 次级线圈 42、 固定架 43、 初级线圈支架 44 和初 级线圈 45 ； 所述次级线圈 42 缠绕在绕线环 41 上， 绕线环 41 通过固定架 43 紧固于接线盒 51 内， 所述初级线圈 45 位于初级线圈支架 44 的一端， 初级线圈支架 44 另一端通过螺栓固 定在机床主轴前端的静止端盖上。 0026 所述刀具接口包括刀座 31、 弹簧夹头 32 和锁紧螺母 33， 所述刀座 31 的顶部通过 螺栓连接底座 24 的底端， 所述刀座 31 底部的外圆周面上设置有外螺纹， 所述锁紧螺母 33 的内圆周面上设置有内螺纹， 所述锁紧螺母 33 通过弹簧夹头 32 预。
20、紧刀具 34， 所述刀座 31 通过旋动螺纹将带有刀具 34 的锁紧螺母 33 固定连接。 0027 实施例 1 0028 在机械加工过程中， 旋转式动态切削力监测装置随着主轴一起转动 ； 固定在机床 主轴前端静止端盖上的初级线圈， 与固定在接线盒上的次级线圈之间有相对转动并有切割 磁力线效应， 进而形成感应电动势， 为无线通讯模块提供激励电压。 0029 当刀具安装接口中的刀具受到切削力时， 将力传递给力感应模块， 于是， 三向压电 式传感器将输出一定量的电荷， 并送到无线通讯模块中的信号发送端进行放大处理， 并经 过信号接收端将数据传输到专用的数据采集与处理软件中， 最后通过处理运算后输出。
21、切削 力的大小。 0030 值得一提的是， 本发明能够快速安装在机床主轴内的切削力动态监测装置， 实现 了精密加工过程中三向力的实时监测， 具有响应速度快、 灵敏度高、 测量精度高等显著优 点， 为开展微细零件切削机理研究和工艺参数优化提供了重大技术支撑 ； 实现了无线供电 和通讯方式， 很好的解决了加工过程中监测装置随着主轴旋转难以进行有线通讯的问题。 说 明 书 CN 103506892 A 5 1/3 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103506892 A 6 2/3 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 103506892 A 7 3/3 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103506892 A 8 。